LiDAR与GIS结合在水库规划中的应用

摘要：利用点云数据生成高精度DEM，结合ArcGIS计算库容这一方法快捷高效且精度很高，在短时间内可以计算从死水位到最高蓄水位的各个高程值的库容数据，迅速生成库容曲线图，可以直观地进行空间分析，与传统方式相比，有着显著特点和优势。以滁州市某水库为例，介绍了该方法的计算流程，并探讨其作用与空间分析功能在实际应用中的意义。

关键词：LiDAR；库容；ArcGIS；空间分析

一、前言

库容曲线是表示水库水位高程与其对应的库容量之间关系的曲线，它可以用来反映水库的蓄水量和调节能力，是水库建成后调度和运营的基础。库容曲线可用于评估水库在面临极端降雨等事件时的洪水控制能力，库容曲线也可以用来制定生态保护计划，以平衡生态系统的需求；在面对干旱或其他气象灾害时，库容曲线可以用于评估水库的蓄水能力，帮助规划水资源的合理利用。综合来看，库容曲线是水库管理和水资源规划的重要工具，对于确保水资源的可持续利用、灾害管理和生态保护都有着重要的意义。

地理信息系统（GIS）的空间分析（Spatial analysis）能力是对地理空间现象的定量研究，其分析能力是将空间数据处理成不同的形态，提取其潜在信息，是地理信息系统的核心功能之一，也是其在实际应用中最有价值的功能。

本文以滁州某水库为研究对象，采用无人机载LiDAR和相机采集生成的影像数据和三维点云数据，通过制作DEM和DOM，基于ArcGIS平台中的计算程序，研究拟选坝址位置的库容曲线，为水库的前期规划和设计提供重要依据，还利用其强大的空间分析能力，为水库的建设运营提供决策数据。

二、技术路线

传统的库容曲线计算方法主要靠人工测制地形图和断面，以等高线分层累计计算叠加得到空间体积，求取连续高程对应的库容量，计算量繁杂且误差较大。传统的测量方法局限性也很大，尤其是山区水库地形复杂、信号遮挡严重，测制工作需要大量的人力物力。特别是水库选址阶段，因为无法确定坝址位置，往往需要测制很大范围的地形图，加上采集困难，在很多特殊地形，如陡崖深谷等，作业困难，无法在外业工作中采集足够密度的地形碎步点，导致绘制的等高线有较大误差。

随着近些年无人机测绘的发展和普及，特别是机载LiDAR的应用，给测绘行业带来了整体工作模式的改变。LiDAR是一种主动式扫描仪，它依靠主动发射脉冲信号，不受太阳高度角以及绝大部分天气影响，在理论上具备多天候的数据采集能力，且前期数据获取和后期成果制作自动化程度很高，所以在工作效率上提高明显。LiDAR的激光扫描仪在空中向地面发射脉冲信号，在植被间隙处可以穿透覆盖，且有多次回波，可以得到地面高程信息和植被信息，在植被密集的丘陵和山区更具有显著优势[1]。

机载LiDAR能获取极其密集的高精度三维点云数据，通过点云分类、滤波等处理过程构建不规则三角网TIN，就可以快速提取数字高程模型（DEM），以此为基础，结合获取的影像数据制作DOM、DLG等成果。结合DEM和DOM，再加上外业采集的部分水下数据，利用ArcGIS平台中的计算程序，就可以计算拟选坝址位置的库容曲线[2]。有DOM和DEM的数据结合，规划设计人员还可以在不同的位置设计数个方案进行对比，如图1所示。

DEM即数字高程模型（Digital Elevation Model），是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟。DEM描述的是地面高程信息，具有精度高、信息丰富、便于存储和管理等特点。它可以派生出各种地形特征值，如坡度、坡向等。DEM在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通信、军事等领域有着广泛的应用[3]。在工程建设上，DEM可用于土方量计算、通视分析等。在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析的基础，如汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等。此外，DEM还是国家地理信息的基础数据，用于制图、空间分析和地理信息管理。

三、工程实例

某水库位于安徽省滁州市南部，是一座具有防洪、城市供水，兼有维持河道生态、改善城市景观环境等综合利用的中型水库。该水库建成后，将进一步完善清流河及其支流流域的防洪体系，提高下游京沪铁路及沙河镇防洪标准，减小夏季丰水期清流河穿城段的过水流量，提高滁州市城市供水能力，控制河道枯水期并改善城市环境，具有显著的社会、经济和生态效益。该水库目前处于可行性研究阶段，为了确定坝址以及坝址控制的流域面积，对该水库范围内采集了多种数据，包括影像数据、LiDAR数据和水下数据。

（一）数据采集

此次项目采用在飞马V10固定翼无人机上搭载" " DV-LiDAR30激光雷达模块和Sony A7RM3A相机进行数据采集，相对飞行高度400m，影像旁向重叠度65%、航向重叠度80%、航片地面分辨率5cm，激光发射频率（PRR）300kHZ，平均点密度72个/m²。库区范围内的水下数据采用搭载单波束测深系统的无人船进行测量，按20m间距布置测深线，并布置检验测线。

（二）生成DEM

将采集到的LiDAR点云数据经过坐标转换、点云分类等方式处理后，可以生成数字高程模型（DEM），以此为基础，结合获取的影像数据制作DOM，再根据高分辨率的DOM剪裁去除DEM中的水面部分。将无人船采集到的水下数据进行整理，绘制等高线图，利用等高线和水下高程点以及水边线外扩部分点云数据制作水下DEM，将两部分DEM镶嵌起来制作完整的库区DEM，如图2所示。

（三）ArcGIS计算库容

ArcGIS是由ESRI公司推出的一款地理信息系统软件，它提供了一整套强大的工具和功能，用于创建、管理、分析和可视化地理数据，广泛应用于各种领域，如城市规划、环境保护、农业和自然资源管理等。在ArcToolbox内调用填洼工具，在填洼对话框内输入制作的库区DEM作为表面栅格，确定之后得到填洼后的结果。调用流向工具，在流向对话框内输入上一步填洼后的栅格数据，确定之后得到流向栅格。然后使用流量工具，得到流量栅格。调用捕捉倾泻点工具，在坝址位置进行捕捉，输入的蓄积栅格数据为之前得到的流量栅格数据，得到捕捉的倾泻点。分别调用分水岭工具和栅格转面工具，得到集水区范围，然后利用得到的集水区范围剪裁DEM数据，然后调用设为空函数工具，将高程值大于50米（1985高程基准）的部分设为NoData，得到最终的计算DEM。使用ArcGIS的3D Analyst工具调用表面体积工具，在显示的表面体积对话框内，输入表面为处理后的栅格，参考平面选择BLOW，表示计算下垫面的体积。重复计算可以得到每一个高程值对应的2D 面积、3D面积和体积（库容）[4]。将高程值数据和库容数据结合起来，以高程值为横轴，以库容量为纵轴，绘制库容曲线图。重复计算量较多时，还可以使用脚本编写一个调用程序，输入DEM的文件路径，直接调用ArcGIS程序，输入起始高程值和结束高程值以及高程间隔，直接批量计算，最后导出高程值与对应库容的表格文件，以便快速绘制曲线图，如图3所示。

（四）空间分析

除了计算库容以供水利工程建设和运营参考使用，ArcGIS强大的空间分析能力也是很重要的工具。空间分析可以处理和分析大量的地理空间数据，对地图上的地理信息进行可视化呈现，还可以根据不同的数据分布和空间模式，进行空间建模，帮助预测和评估各种空间场景的后果，给水库规划和建设运营提供了重要决策依据[5]。计算库容过程中生成的流向与流量数据，可以为水文研究人员研究流域和河流提供数据支撑。利用高精度的航拍正射影像DOM，可以轻易标识各居民点、道路、农田、经济作物林等的位置，与计算出的蓄水范围线进行叠加分析，可以找出在正常蓄水位时需要移民的村落，辅助建设部门做出准确的移民计划，也可以标识出在防洪限制水位需要紧急转移的村庄居民地，再与交通路线图叠加分析转移路线，以便在汛期做好应急预案。淹没区范围与蓄矢量面叠加后，基本可以确定农田、经济作物林等哪些可以继续耕种、哪些有淹没风险，可为移民补偿做出精确预算。下图中白色圆形图斑就是各村庄分布地，且根据规模大小呈现不同直径的圆，通过无人机航拍的高精度正射影像可以精确绘制，如图4所示。

四、精度与误差分析

受限于现场的实际困难和采集手段，传统的断面法和等高线法等计算方法往往误差较大，且误差来源多样。除了数据采集误差和许多无法到达的悬崖峭壁数据缺失，最主要的是数据密度不够，导致绘制的地形图精度不高的问题[6]。相比于传统的数据采集方式和计算库容方法，基于无人机载LiDAR采集的点云数据，数据密度高、便捷高效，特别在工程前期规划策划阶段，工程选址未确定，需要做方案对比，所以需求的数据范围大，无人机载LiDAR在这方面优势更大。

DEM误差主要来源于原始数据的精度、密度和分布，以及DEM构建过程中的算法和插值方法。原始数据自身的精度对DEM的质量有着至关重要的影响。此外，滤波法、基于趋势面及三维可视化的粗差检测与剔除、基于坡度信息的格网数据粗差检测与剔除等方法也被用于处理原始数据中的误差。想要提高DEM的精度，首先最基础的就是提高原始数据的精度：通过更精确的测量方法和设备来获取原始数据，可以减小数据误差，从而提高DEM的精度。其次选择合适的DEM模型和内插方法：针对不同的地形和精度要求，选择合适的DEM模型和内插方法也可以提高DEM的准确性和适用性。最后进行误差分析和校正适用于所有类型的DEM：通过对DEM进行误差分析，可以识别并校正其中的误差[7]。例如，可以采用基于坡度信息的格网数据粗差检测与剔除等方法来剔除粗差数据，提高DEM的精度。

点云数据可生成高精度DEM，因为点云数据密度很大，可以很好地还原各种局部微地形，所以精度相较于断面法和等高线法大幅度提高，加上结合ArcGIS计算库容这一方法快捷高效，在短时间内可以计算从死水位到最高蓄水位的各个高程值的库容数据，迅速生成库容曲线图。其计算的库容误差来源主要是DEM的误差，包括插值误差、植被遮盖的误差等[8]。在地势较为平坦的地区，传统方式的等高线法计算的库容与本文中的方法差距不大，随着地势起伏的增大，采用DEM数据计算的库容数据精度明显更高。

五、结语

随着国家加大对水利基建的投资，也为了满足各地对城市供水和防洪等方面的需求，兴建水库成为很多地方水利建设的规划重点。而水库的建设必然少不了库容曲线数据。库容曲线是水库从规划选址到建设运营的重要参数和依据，对防洪和水资源利用的长期规划更是具有重要的意义。随着科技的发展进步，测绘新技术层出不穷，无人机载LiDAR已经成为一种很普及的数据采集手段。利用采集的点云数据制作DEM，然后基于ArcGIS计算库容，这一方法快捷高效且精度较高，适用于各种地形，可用作水库工程规划设计方面的重要辅助手段，GIS强大的空间分析能力，可以满足水库规划选址以及建设后期运营等多方面需求，具有很高的实际应用价值。可以预见在未来除了水库之外的水利工程建设中，结合无人机载LiDAR和GIS在水库规划和建设中的应用这一具体实例，将逐渐成为一种重要的方式，为水利信息化建设提供更详细和精准的数据。

参考文献

[1]曹娟.无人机倾斜摄影测量在土方量计算中的应用[J].矿山测量，2019，47（01）：53-56.

[2]安航永，郭亚伟，张浩.基于DEM和“填充法”的库容曲线计算方法[J].陕西水利，2022（12）：24-27.

[3]孙玉兵.利用GIS技术对莲花电站水库库容曲线复核分析[J].测绘与空间地理信息，2016，39（04）：173-174+177.

[4]王元超.基于GIS的断面法高效水库库容计算方法[J].西北水电，2021（05）：51-55.

[5]马喜荣，张大伟，王金国，等.基于不规则三角形数字地形模型的水库库容分析计算[J].广东水利水电，2020（04）：53-57.

[6]杨中华，陈琳.基于GIS的水库库容测量方法的研究与实践[J].测绘通报，2002（11）：28-30.

[7]周伟.几种数学模型在水库库容分析中的应用[J].北京测绘，2020，34（06）：872-875.

[8]熊爱武，杨蒙蒙.机载LiDAR点云数据误差分析[J].测绘通报，2014（03）：75-78+86.

作者单位：中水淮河规划设计研究有限公司

责任编辑：张津平、尚丹